(57)【要約】【課題】  燃料電池から排出された水素の濃度を低くして、外部に排出する燃料電池の排出ガス処理装置を提供する。【解決手段】  燃料電池のアノードから排出された水素を、水素導入口２４ｃ１から導入し、滞留させる滞留室４１ａを有する滞留器４１を備え、滞留した水素を水素排出口３２ｄ１から排出し、排出された水素をカソードオフガス（希釈用ガス）で希釈した後に外部に排出する希釈器４０（燃料電池の排出ガス処理装置）であって、滞留室４１ａへの水素の導入を規制する第１閉塞体４２と、滞留室４１ａからの水素の排出を規制する第２閉塞体４３と、水素が水素導入口２４ｃ１から滞留室４１ａに導入されたとき、水素が水素排出口３２ｄ１から排出されないように、第１閉塞体４２と第２閉塞体４３とを連動させる連結アーム４４と、を備えた。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のアノードから排出された水素を、水素導入口から導入し、滞留させる滞留室を有する滞留器を備え、
前記滞留した水素を水素排出口から排出し、当該排出された水素を希釈用ガスで希釈した後に外部に排出する燃料電池の排出ガス処理装置であって、
前記滞留室への水素の導入を規制する第１規制手段と、
前記滞留室からの水素の排出を規制する第２規制手段と、
水素が前記水素導入口から前記滞留室に導入されたとき、水素が前記水素排出口から排出されないように、前記第１規制手段と前記第２規制手段とを連動させる連動手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池の排出ガス処理装置。
【請求項２】
前記第１規制手段は前記水素導入口を閉塞する第１閉塞体を含み、
前記第２規制手段は前記水素排出口を閉塞する第２閉塞体を含み、
前記連動手段は、前記第１閉塞体が前記水素導入口を閉じているときに前記第２閉塞体は前記水素排出口を開き、前記第１閉塞体が前記水素導入口を開いているときに前記第２閉塞体は前記水素排出口を閉じるように、前記第１閉塞体と前記第２閉塞体とを連結する連結手段であり、
前記水素導入口を閉じるように前記第１閉塞体を付勢する付勢手段をさらに備え、
前記水素導入口に到達した水素の圧力によって、前記付勢手段に抗して前記第１閉塞体を押し、前記水素導入口を開くようにしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の排出ガス処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のアノードから排出された水素を希釈処理する燃料電池の排出ガス処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素がアノードに、酸素がカソードにそれぞれ供給されることで、電気化学反応が生じ発電する燃料電池の開発が盛んである。この燃料電池は、その発電電力によって走行する燃料電池自動車や家庭用電源などの広範囲で適用されつつあり、今後もその適用範囲の拡大が期待されている。このような燃料電池では、その出力を高めるために、消費される量以上の水素がアノードに供給される場合が多く、使用されなかった未反応の水素が、アノードから排出される。そこで、水素の利用効率を高めるべく、この排出された未反応の水素を水素供給側に戻し、水素を循環させる水素循環系を採用した技術が提案されている。
【０００３】
また、燃料電池は発電すると、カソードで水が生成し、この生成水の一部が固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）をアノード側に透過する。その他、電解質膜の湿潤状態を確保して、電解質膜のプロトン（水素イオン）の拡散性（導電性）を高めるため、例えば、燃料電池のカソード側またはアノード側に供給されるガス（水素、酸素を含む空気など）を加湿する方法が採用されている。
【０００４】
したがって、水素循環系を採用する燃料電池システムの場合、循環する水素に同伴する水分量や窒素などの不純物の量が高くなり、燃料電池の発電効率が低下する場合がある。そこで、循環する水素に同伴する水分量や窒素などの不純物の量が高くなった場合、これを一時的に水素循環系から排出し（これを水素パージという）、水素パージされた水素を希釈器（排出水素処理装置）で希釈して、外部に排出する技術が提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−６１８３号公報（段落番号００４５〜００５３、図１）
【特許文献２】特開２００２−２８９２３７号公報（段落番号０１３３〜０１４１、図８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１および特許文献２に係る希釈器では、希釈器に導入された水素がそのまま通り抜け、希釈されずに排出されるおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明は、燃料電池から排出された水素の濃度を低くして、外部に排出する燃料電池の排出ガス処理装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明は、燃料電池のアノードから排出された水素を、水素導入口から導入し、滞留させる滞留室を有する滞留器を備え、前記滞留した水素を水素排出口から排出し、当該排出された水素を希釈用ガスで希釈した後に外部に排出する燃料電池の排出ガス処理装置であって、前記滞留室への水素の導入を規制する第１規制手段と、前記滞留室からの水素の排出を規制する第２規制手段と、水素が前記水素導入口から前記滞留室に導入されたとき、水素が前記水素排出口から排出されないように、前記第１規制手段と前記第２規制手段とを連動させる連動手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池の排出ガス処理装置である。
【０００８】
このような燃料電池の排出ガス処理装置によれば、連動手段が、水素が水素導入口から滞留室に導入されたとき、水素が水素排出口から排出されないように、第１規制手段と第２規制手段とを連動させる。これにより、水素導入口から滞留室に導入された水素は、水素排出口から排出されず、水素自体の自己拡散能力によって、滞留室に自己拡散して滞留する。その結果として、水素の濃度は低下し希釈される。
【０００９】
このように滞留室で水素が希釈された後、第２規制手段による水素の排出規制が解かれると、水素排出口から水素が排出される。次いで、この排出された水素は、（第１）希釈用ガス（後記する実施形態ではカソードオフガス）でさらに希釈された後、外部に排出される。すなわち、燃料電池の排出ガス処理装置によれば、滞留室に導入された水素がそのまま滞留室を通り抜けることは防止され、水素の自己拡散能力によって滞留室に拡散・滞留し、ある程度希釈した後、さらに希釈用ガスで確実に希釈して、外部に排出することができる。
したがって、滞留室における水素の希釈を促すために、前記（第１）希釈用ガスと別の第２希釈用ガス（後記する実施形態ではドライエア）を滞留室に導入する第２希釈用ガス導入部を備えることが好ましい。
【００１０】
請求項２に係る発明は、前記第１規制手段は前記水素導入口を閉塞する第１閉塞体を含み、前記第２規制手段は前記水素排出口を閉塞する第２閉塞体を含み、前記連動手段は、前記第１閉塞体が前記水素導入口を閉じているときに前記第２閉塞体は前記水素排出口を開き、前記第１閉塞体が前記水素導入口を開いているときに前記第２閉塞体は前記水素排出口を閉じるように、前記第１閉塞体と前記第２閉塞体とを連結する連結手段であり、前記水素導入口を閉じるように前記第１閉塞体を付勢する付勢手段をさらに備え、前記水素導入口に到達した水素の圧力によって、前記付勢手段に抗して前記第１閉塞体を押し、前記水素導入口を開くようにしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の排出ガス処理装置である。
【００１１】
ここで、「水素導入口を閉じるように第１閉塞体を付勢すること」とは、「水素排出口を開くように第２閉塞体を付勢すること」と同義である。
【００１２】
このような燃料電池の排出ガス処理装置によれば、付勢手段によって、第１閉塞体は付勢されて水素導入口を閉じており、第１閉塞体に連結手段を介して連結する第２閉塞体は水素排出口を開いている。そして、燃料電池のアノードから水素が排出され、水素導入口に水素が到達すると、到達した水素の圧力に基づいて第１閉塞体を押す。次いで、水素が第１閉塞体を押す力が、付勢手段により第１閉塞体に作用する付勢力を上回り、付勢手段の付勢力に抗して、第１閉塞体を押して水素導入口を開き、その結果として、水素が滞留室に導入される。このように水素導入口が開かれると共に、第１閉塞体に連結手段を介して連結した第２閉塞体は水素排出口を閉じ、導入された水素の通り抜けは防止される。
【００１３】
その後、燃料電池からの水素の排出量が少なくなって、水素導入口に到達する水素の量が減り、到達した水素の圧力に基づく第１閉塞体を押す力が付勢手段による付勢力を下回ると、第１閉塞体は水素導入口を閉じる。このように水素導入口が閉じられると、第１閉塞体に連結手段を介して連結した第２閉塞体は水素排出口を開く。そうすると、滞留室における滞留によって希釈した水素が水素排出口から排出される。このように水素排出口から排出された水素は、さらに希釈用ガス（後記する実施形態ではカソードオフガス）で希釈された後、外部に排出される。
【００１４】
このように、請求項２係る燃料電池の排出ガス処理装置によれば、連結手段によって第１閉塞体と第２閉塞体とが機械的に連結されており、その相対関係を一定に維持すると共に、付勢手段によって第１閉塞体が水素導入口に付勢された状態において、第１閉塞体を押す水素の圧力を利用して、前記関係を維持したまま、水素導入口と水素排出口の開／閉を連動させることができる。すなわち、第１閉塞体、第２閉塞体を動作させる駆動体（アクチュエータ）や、その制御手段などを備えずに、燃料電池の排出ガス処理装置を構成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料電池から排出された水素の濃度を低くして、外部に排出する燃料電池の排出ガス処理装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態について、図１および図２を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図２は、本実施形態に係る希釈器の側断面図である。
【００１７】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システムＳは、燃料電池自動車に搭載されたシステムであり、燃料電池自動車は燃料電池１０の発電電力によって走行用の電動モータ（走行モータ）を回転させて走行するようになっている。
燃料電池システムＳは、燃料電池１０と、燃料電池１０のアノード１２に水素（燃料ガス、反応ガス）を供給・排出するアノード系２０と、燃料電池１０のカソード１３に空気（酸化剤ガス、反応ガス）を供給・排出するカソード系３０と、アノード系２０およびカソード系３０の下流位置で水素パージ時にアノード系２０から排出される水素を希釈する希釈器４０（燃料電池の排出ガス処理装置）と、これらを制御するＥＣＵ５０（Electronic Control Unit、制御装置）と、を主に備えている。
【００１８】
＜燃料電池＞
燃料電池１０（燃料電池スタック）は、主として、一価の陽イオン交換型の電解質膜１１の両面を触媒（Ｐｔなど）が担持されたアノード１２（燃料極）およびカソード１３（空気極）で挟持してなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly、膜電極複合体）と、ＭＥＡを挟持するセパレータとからなる単セルが、複数積層されることで構成された固体高分子電解質型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell、ＰＥＦＣ）である。そして、アノード１２に水素が、カソード１３に加湿された空気がそれぞれ供給されると、前記ＭＥＡにおいて電位差が発生し、燃料電池１０の出力端子に接続した走行モータなど外部負荷からの電力要求に応じて、燃料電池１０が発電するようになっている。また、各単セルには、その出力電圧（以下、セル電圧）を検知するセル電圧検知モニタ（図示しない）が接続されている。セル電圧検知モニタは、ＥＣＵ５０と電気的に接続しており、ＥＣＵ５０は各単セルのセル電圧を検知するようになっている。
【００１９】
＜アノード系−水素供給側＞
アノード系２０の水素供給側は、下流側（燃料電池１０側）に向かって、水素が貯蔵された水素タンク２１と、遮断弁２２と、エゼクタ２３とを主に備えている。水素タンク２１は配管２１ａを介して遮断弁２２に接続している。遮断弁２２は、ＥＣＵ５０と電気的に接続しており、ＥＣＵ５０は遮断弁２２を適宜に開／閉するようになっている。また、遮断弁２２は配管２２ａを介してエゼクタ２３に接続しており、エゼクタ２３は配管２３ａを介して燃料電池１０のアノード１２に接続している。さらに、配管２２ａには減圧弁（図示しない）が設けられている。したがって、ＥＣＵ５０が遮断弁２２を開くと、水素タンク２１から、減圧弁によって水素が所定に減圧された後、燃料電池１０のアノード１２に供給されるようになっている。
【００２０】
＜アノード系−水素排出側＞
アノード系２０の水素排出側は、水素パージ弁２４を主に備えている。水素パージ弁２４は、配管２４ａを介して、燃料電池１０のアノード１２の下流側に接続しており、燃料電池１０のアノード１２から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスが、配管２４ａを水素パージ弁２４に向かって流れるようになっている。また、配管２４ａの途中位置は、配管２４ｂを介して、エゼクタ２３に接続している。さらに、水素パージ弁２４は、配管２４ｃを介して、希釈器４０に接続している。さらにまた、水素パージ弁２４は、ＥＣＵ５０と電気的に接続しており、ＥＣＵ５０は水素パージ弁２４を適宜に開／閉するようになっている。
【００２１】
さらに説明すると、燃料電池１０を構成するいずれかの単セルのセル電圧が低いことにより、アノードオフガス中の水分量（つまり、アノード１２内の水分量）が高いと推定される場合（水素パージ時）、ＥＣＵ５０は、水素パージ弁２４を開くようになっている。これにより、この水分量の高いアノードオフガスが配管２４ｃを介して希釈器４０に送られるようになっている。なお、水素パージ時に、希釈器４０に送られるアノードオフガスには、水素、水分の他、窒素なども含まれている。
一方、各単セルのセル電圧が良好な値であることにより、アノードオフガス中の水分量が低いと推定される場合（水素循環時）、ＥＣＵ５０は、水素パージ弁２４を閉じるようになっている。これにより、未反応の水素を含むアノードオフガスがエゼクタ２３に戻され、水素が循環し、水素が効率的に利用されるようになっている。
ただし、水素パージの方式は、このようにセル電圧に基づく方式に限定されず、その他に例えば、所定時間で間欠的に水素パージ弁２４を開く方式であってもよい。
【００２２】
＜カソード系−空気供給側＞
カソード系３０の空気供給側は、コンプレッサ３１（ポンプ、スーパーチャージャ）と、加湿器３２と、開閉弁３３とを主に備えている。
コンプレッサ３１は、外気を取り込んで圧縮し、カソード１３に向けて送る機器であり、配管３１ａを介して加湿器３２に接続している。また、コンプレッサ３１は、ＥＣＵ５０と電気的に接続している。さらに、コンプレッサ３１は、燃料電池１０と、燃料電池１０とは別に搭載された蓄電器（キャパシタ、二次電池など）と接続しており、燃料電池１０が発電していない場合や、燃料電池１０の発電量が少ない場合は、蓄電器から電力が供給されて作動するようになっている。
加湿器３２は、例えば中空糸膜３２ａを内蔵しており、この中空糸膜３２ａによって、コンプレッサ３１からの空気と、カソード１３から排出された水分量の高いカソードオフガスとの間で水分交換し、コンプレッサ３１からの空気を加湿空気とする機器である。そして、加湿器３２は配管３２ｂを介してカソード１３に接続しており、加湿空気がカソード１３に送られるようになっている。
【００２３】
また、配管３１ａの途中位置は、配管３１ｂ、開閉弁３３、配管３３ａを介して希釈器４０に接続している。開閉弁３３は、ＥＣＵ５０と電気的に接続しており、ＥＣＵ５０は例えば水素パージ弁２４の閉／開に連動して、開閉弁３３を開／閉するようになっている。すなわち、コンプレッサ３１の作動中に、ＥＣＵ５０が開閉弁３３を開くと、カソード１３に供給される酸化剤ガスの一部であって、加湿器３２で加湿される前の乾燥した空気（以下、ドライエア）が、希釈器４０に供給されるようになっている。さらに説明すると、アノード系２０の水素パージ弁２４が閉じられる水素循環時に、開閉弁３３は開かれる。一方、水素パージ弁２４が開かれる水素パージ時に、開閉弁３３は閉じられる。
ただし、開閉弁３３を設けず、コンプレッサ３１が作動中はドライエアが希釈器４０に連続的に供給される構成としてもよい。その他、開閉弁３３の代わりに、ドライエアの流量を抑える絞り（オリフィス）や、流量を調整可能な流量調整弁を設けて、ドライエアの流量を調整して希釈器４０に連続的に供給する構成としてもよい。
【００２４】
＜カソード系−空気排出側＞
カソード系３０の空気排出側について説明すると、燃料電池１０のカソード１３は、配管３２ｃを介して加湿器３２に接続しており、カソード１３から排出された水分量の高いカソードオフガスが加湿器３２に送られるようになっている。そして、加湿器３２は配管３２ｄを介して希釈器４０に接続している。これにより、加湿器３２における水分交換により、その水分量が若干低下したカソードオフガスが、配管３２ｄを介して希釈器４０に供給されるようになっている。
また、配管３２ｃには、背圧弁（図示しない）が設けられており、その背圧を調整することで、燃料電池１０におけるアノード１２側の水素の圧力と、カソード１３側の空気の圧力とをバランスさせるようになっている。
【００２５】
＜希釈器＞
次に、図２を主に参照して、希釈器４０について説明する。
図２に示すように、希釈器４０は、滞留器４１と、配管２４ｃの下流端部分（水素導入部）と、配管３３ａの下流端部分（ドライエア導入部）と、配管３２ｄの一部（第１希釈用ガス流通部）と、第１閉塞体４２（第１規制手段）と、第２閉塞体４３（第２規制手段）と、連結アーム４４（連動手段、連結手段）と、第１閉塞体４２を付勢する付勢錘４５（付勢手段）と、を主に備えている。
【００２６】
［滞留器］
滞留器４１は、外形が横向きの円柱状の筐体であって、その内部に水素パージ時にアノード系２０から排出された水素を一時的に滞留させる滞留室４１ａを有している。
また、滞留器４１内の滞留室４１ａでは、これにアノードオフガスが導入されるとその流路断面積が大きくなるため、流速が低下する。これにより、アノードオフガス中の水分（水素に同伴する水分）が自重により落下しやすくなっている。すなわち、滞留室４１ａは、水素と水分とを分離する気液分離室としても機能している。
【００２７】
［水素導入部］
水素パージ時に未反応の水素を含むアノードオフガスが流通する配管２４ｃの下流端部分（水素導入部）は、滞留器４１の上流側の端板を貫通し、その先端が滞留室４１ａ内に延びている。なお、配管２４ｃの下流端開口が、水素導入口２４ｃ１となっている。
【００２８】
［ドライエア導入部］
ドライエアが流通する配管３３ａの下流端部分（ドライエア導入部）は、ドライエアを滞留器４１内に導く部分であって、滞留器４１の上流側の端板を貫通し、その先端が滞留室４１ａ内に延びている。前記したように、配管３３ａの上流側に設けられた開閉弁３３（図１参照）は、水素パージ弁２４が閉じられる水素循環時は開いており、水素パージ弁２４が開かれる水素パージ時は閉じられ、その後、水素パージ弁２４が閉じられる水素循環時に戻ると開かれる。つまり、配管２４ｃからアノードオフガスが滞留室４１ａに導入されるときを除いて、配管３３ａからドライエアが滞留室４１ａに導入される。
【００２９】
このように導入されるドライエアは、希釈器４０において、主として、第２希釈用ガス、押出ガス、掃気ガスとして機能している。
さらに説明すると、アノードオフガスが滞留室４１ａに導入された後、引き続いて導入されたドライエアは、滞留室４１ａに滞留する水素と混合し、水素とドライエアとが混合してなる混合ガスを形成すると共に、水素濃度を低下させる第２希釈用ガスとして機能している。
その後、導入されたドライエアは、前記混合ガスを、後記する水素排出口３２ｄ１を介して、配管３２ｄに押し出す押出ガスとして機能している。
さらにその後、導入されたドライエアは、前記混合ガスが押し出された後の滞留室４１ａを掃気（例えば、滞留室４１ａ内の結露した水分などを押し出すこと）し、ドライエアに置換する掃気ガスとして機能している。
ただし、希釈器４０は、このような機能を有する配管３３ａの下流端部分（ドライエア導入部）を備えない構成であってもよい。
【００３０】
［第１希釈用ガス流通部］
カソードオフガス（第１希釈用ガス）が流通する配管３２ｄ（第１希釈用ガス流通部）は、滞留器４１の下部を軸方向に貫通している。滞留器４１内の配管３２ｄには、水素排出口３２ｄ１が形成されており、水素排出口３２ｄ１を介して、配管３２ｄ内のカソードオフガスが流通するカソードオフガス流路と、滞留室４１ａとが連通している。すなわち、水素排出口３２ｄ１は、滞留した水素とドライエアとが混合してなる混合ガスが排出される排出部として機能している。
また、水素排出口３２ｄ１の下流側の配管３２ｄは、このように押し出された混合ガスを、カソードオフガス（第１希釈用ガス）でさらに希釈する機能を有しており、このように希釈処理された後、外部に排気されるようになっている。
さらに、滞留器４１内の配管３２ｄには、複数の水抜孔３２ｄ２、３２ｄ２が適所に形成されている。そして、滞留器４１内の水が、水抜孔３２ｄ２、３２ｄ２を通って、カソードオフガスと共に外部に排出されるようになっている。
【００３１】
［第１閉塞体］
第１閉塞体４２は、水素導入口２４ｃ１を適宜に閉塞する蓋であって、水素導入口２４ｃ１から滞留室４１ａへの水素（アノードオフガス）の導入を規制するものである。そして、第１閉塞体４２は、連結アーム４４の第１腕４４ａに固定されており、連結アーム４４と一体に回動するようになっている。このような第１閉塞体４２は、例えば、水素導入口２４ｃ１に対応した形状を有するシート状のゴム製部材によって構成される。
【００３２】
［第２閉塞体］
第２閉塞体４３は、水素排出口３２ｄ１を適宜に閉塞する蓋であって、水素排出口３２ｄ１から配管３２ｄ内への水素の排出を規制するものである。そして、第２閉塞体４３は、連結アーム４４の第２腕４４ｂに固定されており、連結アーム４４と一体に回動するようになっている。このような第２閉塞体４３は、水素排出口３２ｄ１に対応した形状を有するシート状のゴム製部材によって構成される。
【００３３】
［連結アーム］
連結アーム４４は、滞留器４１の軸方向に沿って配置されており、本実施形態では、その側面視において、やや開いたＬ字形を呈し、上流側の第１腕４４ａと下流側の第２腕４４ｂを備えている。連結アーム４４の中央部は、滞留器４１内の配管３２ｄに、軸部材４４ｃおよび台座４４ｄを介して、回動自在に固定されている。
そして、連結アーム４４の曲がり程度は、第１閉塞体４２が水素導入口２４ｃ１を閉じているときに第２閉塞体４３は水素排出口３２ｄ１を開き、第１閉塞体４２が水素導入口２４ｃ１を開いているときに第２閉塞体４３は水素排出口３２ｄ１を閉じるように設定されている。
【００３４】
［付勢錘］
付勢錘４５は、連結アーム４４の第１腕４４ａの上流側端に固定されており、付勢錘４５の自重により、第１腕４４ａを介して、水素導入口２４ｃ１を閉じるように第１閉塞体４２を付勢するようになっている。これとは逆に、付勢錘４５によって、水素排出口３２ｄ１を開くように第２閉塞体４３は鉛直上方に付勢されている。
付勢錘４５の質量（重さ）は、後記するように、水素パージ時に配管２４ｃを流れ、第１閉塞体４２の上流側面に到達した水素が、第１閉塞体４２を滞留室４１ａ側に押すことによって、水素導入口２４ｃ１を開くことができる質量に設定されている。
【００３５】
＜ＥＣＵ＞
図１に戻って説明を続ける。
ＥＣＵ５０は、燃料電池システムＳの動作を制御する機器であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などから構成されている。ＥＣＵ５０は、遮断弁２２と、水素パージ弁２４と、コンプレッサ３１と、開閉弁３３と電気的に接続しており、これらを適宜に制御するように設定されている。また、ＥＣＵ５０は、前記したセル電圧検知モニタを介して、単セルのセル電圧を監視している。
【００３６】
≪燃料電池システムの動作≫
次に、図１を参照して、燃料電池システムＳの動作ついて説明する。
燃料電池システムＳの起動中、つまり、燃料電池１０の発電中、燃料電池１０のアノード１２からアノードオフガスが排出される。このアノードオフガスには、アノード１２で使用されなかった未反応の水素や、電極反応によりカソード１３で生成し、電解質膜１１を透過した水分や、窒素などが含まれている。
このように燃料電池１０のアノード１２から排出された水素を含むアノードオフガスは、水素パージ弁２４が閉じられる水素循環時、配管２４ａ、配管２４ｂを介して、エゼクタ２３に戻る。すなわち、水素が循環し効率的に利用されるようになっている。
【００３７】
その後、発電が進み、アノードオフガスに含まれる水分が高くなり、ＥＣＵ５０がセル電圧の低下したことを検知すると、水素パージ弁２４を一時的に開き、水分量の高いアノードオフガスを、配管２４ｃを介して希釈器４０に排出する。このような水素パージ弁２４の開／閉に対応したＥＣＵ５０による開閉弁３３の動作例としては、水素パージに連動して、ＥＣＵ５０は、水素パージ弁２４を開く場合、開閉弁３３を一時的に閉じ、希釈器４０へのドライエアの供給を一時的に停止する。
【００３８】
次に、アノードオフガスが送り込まれた希釈器４０について、図２を主に参照して説明する。
水素パージされたアノードオフガスが、配管２４ｃ内を流れて第１閉塞体４２の上流側面に到達すると、水素を含むアノードオフガスの圧力によって、第１閉塞体４２を水素導入口２４ｃ１側に付勢する付勢錘４５の付勢力に抗して、第１閉塞体４２を滞留室４１ａ側に押し、水素導入口２４ｃ１を開く。そうすると、連結アーム４４が軸部材４４ｃを軸として、図２における右回りに回動し（矢印Ａ１参照）、この回動によって、第２閉塞体４３が水素排出口３２ｄ１を閉じる。
これにより、水素導入口２４ｃ１から滞留室４１ａに導入されたアノードオフガス中の水素が、滞留室４１ａをそのまま通り抜けることはなく、水素の自己拡散力によって、滞留室４１ａに拡散し、その濃度が低下する。
【００３９】
このように水素パージをした後、ＥＣＵ５０は、水素パージ弁２４を閉じると共に開閉弁３３を開く。これにより、導入されたアノードオフガスに遅れて、配管３３ａからドライエア（第２希釈用ガス）が滞留室４１ａに導入される。そうすると、滞留器４１内では、アノードオフガスとドライエアとが混合され、混合ガスとなる。すなわち、滞留室４１ａに導入された水素は、ドライエアと混合し、希釈される。
【００４０】
その後、配管２４ｃから滞留室４１ａに導入されるアノードオフガスの流量が少なくなると、アノードオフガスが、第１閉塞体４２を押し、水素導入口２４ｃ１を開く力が徐々に小さくなり、最終的には、付勢錘４５による付勢力によって、第１閉塞体４２が水素導入口２４ｃ１を閉じる。このように、第１閉塞体４２が水素導入口２４ｃ１を閉じると共に、連結アーム４４が図２における左回りに回動し（矢印Ａ２参照）、この回動と共に、第２閉塞体４３は水素排出口３２ｄ１から離間し、水素排出口３２ｄ１が開かれる。
【００４１】
このように水素排出口３２ｄ１が開かれると、アノードオフガスとドライエアとが混合してなる混合ガスが、水素排出口３２ｄ１を通って、配管３２ｄに排出される。そして、排出された混合ガスは、水素排出口３２ｄ１より下流側の配管３２ｄの部分で、配管３２ｄ内を流通するカソードオフガス（第１希釈用ガス）によって希釈された後、外部に排出される。
【００４２】
このように希釈器４０（燃料電池の排出ガス処理装置）が組み込まれた燃料電池システムＳによれば、水素が滞留室４１ａを通り抜けることを防止すると共に、滞留室４１ａにおいてドライエア（第２希釈用ガス）で希釈した後、水素排出口３２ｄ１から排出し、カソードオフガス（第１希釈用ガス）でさらに希釈した後に、外部に排出することができる。すなわち、燃料電池１０のアノードから排出された水素を確実に希釈し、水素濃度を十分に低下させた後に、外部（外気中）に排出することができる。
【００４３】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。
【００４４】
前記した実施形態では、希釈器４０（燃料電池の排出ガス処理装置）が組み付けられた燃料電池システムＳが燃料電池自動車に搭載された場合について例示したが、燃料電池システムの使用態様はこれに限定されず、その他に例えば、家庭用の据え置き型の燃料電池システムであってもよい。
【００４５】
前記した実施形態では、第１閉塞体４２によって水素導入口２４ｃ１を閉塞するとしたが、図３に示すように、第１閉塞体４２を備えず、水素パージ弁２４の開／閉によって、配管２４ｃの水素導入口２４ｃ２から滞留室４１ａへの水素の導入を規制してもよい。この場合、水素パージ弁２４が特許請求の範囲における「第１規制手段」に相当する。
また、図３に示すように、滞留器４１内にアクチュエータ６１を固定すると共に、アクチュエータ６１の作動アーム６２に第２閉塞体４３を固定し、アクチュエータ６１が作動（ＯＮまたはＯＦＦ）すると、第２閉塞体４３が水素排出口３２ｄ１を閉じる構成とする。
そして、アクチュエータ６１をＥＣＵ５０と電気的に接続し、ＥＣＵ５０による、水素パージ弁２４の開／閉と、アクチュエータ６１のＯＮ／ＯＦＦとを連動させる構成としてもよい。すなわち、前記した実施形態では、第１閉塞体４２と第２閉塞体４３とを機械的なリンクである連結アーム４４で連結し、この連結アーム４４によって、第１閉塞体４２による水素導入口２４ｃ１の開／閉と、第２閉塞体４３による水素排出口３２ｄ１の開／閉とが、機械的に連動する構成としたが、図３に示すように、ＥＣＵ５０による電子的な制御によって、水素パージ弁２４の開／閉と、アクチュエータ６１を介しての第２閉塞体４３による水素排出口３２ｄ１の開／閉とが、電子的に連動する構成としてもよい。
【００４６】
前記した実施形態では、第１閉塞体４２を水素導入口２４ｃ１に付勢する付勢手段は、付勢錘４５により構成されたとしたが、この他に例えば、圧縮コイルバネなどによって第１閉塞体４２を付勢する構成としてもよい。
【００４７】
前記した実施形態では、加湿器３２の上流側から、配管３１ｂ、配管３３ａによって、ドライエアが希釈器４０に導かれる構成としたが、この構成に代えて、配管３２ｄを分岐させて、カソードオフガスの一部を希釈器４０に導く構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係る希釈器の側断面図である。
【図３】変形例に係る希釈器の側断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０    燃料電池
１２    アノード
２４ｃ１  水素導入口
３２ｄ１  水素排出口
４０    希釈器（燃料電池の排出ガス処理装置）
４１    滞留器
４１ａ  滞留室
４２    第１閉塞体
４３    第２閉塞体
４４    連結アーム（連結手段、連動手段）
４５    付勢錘（付勢手段）
６０    ＥＣＵ（制御手段）
Ｓ      燃料電池システム                                                                                
【図１】
2006344470.tif 000003
【図２】
2006344470.tif 000004
【図３】
2006344470.tif 000005